直流电动机相关知识

一、直流电机的结构由直流电动机和发电机工作原理示意图可以看到，直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。

直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。

运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。

1. 定子（1）主磁极主磁极的作用是产生气隙磁场。

主磁极由主磁极铁心和励磁绕组两部分组成。

铁心一般用0.5mm～1.5mm厚的硅钢板冲片叠压铆紧而成，分为极身和极靴两部分，上面套励磁绕组的部分称为极身，下面扩宽的部分称为极靴，极靴宽于极身，既可以调整气隙中磁场的分布，又便于固定励磁绕组。

励磁绕组用绝缘铜线绕制而成，套在主磁极铁心上。

整个主磁极用螺钉固定在机座上。

（2）换向极换向极的作用是改善换向，减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生的换向火花，一般装在两个相邻主磁极之间，由换向极铁心和换向极绕组组成。

换向极绕组用绝缘导线绕制而成，套在换向极铁心上，换向极的数目与主磁极相等。

（3）机座电机定子的外壳称为机座。

机座的作用有两个：一是用来固定主磁极、换向极和端盖，并起整个电机的支撑和固定作用；二是机座本身也是磁路的一部分，借以构成磁极之间磁的通路，磁通通过的部分称为磁轭。

为保证机座具有足够的机械强度和良好的导磁性能，一般为铸钢件或由钢板焊接而成。

（4）电刷装置电刷装置是用来引入或引出直流电压和直流电流的。

电刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷杆座等组成。

电刷放在刷握内，用弹簧压紧，使电刷与换向器之间有良好的滑动接触，刷握固定在刷杆上，刷杆装在圆环形的刷杆座上，相互之间必须绝缘。

刷杆座装在端盖或轴承内盖上，圆周位置可以调整，调好以后加以固定。

2. 转子(电枢)（1）电枢铁心电枢铁心是主磁路的主要部分，同时用以嵌放电枢绕组。

一般电枢铁心采用由0.5mm 厚的硅钢片冲制而成的冲片叠压而成，以降低电机运行时电枢铁心中产生的涡流损耗和磁滞损耗。

叠成的铁心固定在转轴或转子支架上。

铁心的外圆开有电枢槽，槽内嵌放电枢绕组。

（2）电枢绕组电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量变换的关键部件，所以叫电枢。

它是由许多线圈(以下称元件)按一定规律连接而成，线圈采用高强度漆包线或玻璃丝包扁铜线绕成，不同线圈的线圈边分上下两层嵌放在电枢槽中，线圈与铁心之间以及上、下两层线圈边之间都必须妥善绝缘。

为防止离心力将线圈边甩出槽外，槽口用槽楔固定。

线圈伸出槽外的端接部分用热固性无纬玻璃带进行绑扎。

（3）换向器在直流电动机中，换向器配以电刷，能将外加直流电源转换为电枢线圈中的交变电流，使电磁转矩的方向恒定不变；在直流发电机中，换向器配以电刷，能将电枢线圈中感应产生的交变电动势转换为正、负电刷上引出的直流电动势。

换向器是由许多换向片组成的圆柱体，换向片之间用云母片绝缘，换向电枢槽的结构片的紧固，换向片的下部做成鸽1—槽楔2—线圈绝缘3—电枢导体尾形，两端用钢制V形套筒和V形云母环固定，再用4—层间绝缘5—槽绝缘6—槽底绝缘螺母锁紧。

4）转轴转轴起转子旋转的支撑作用，需有一定的机械强度和刚度，一般用圆钢加工而成。

二、直流电机分类1、按结果主要分为直流电动机和直流发电机2、按类型主要分为直流有刷电机和直流无刷电机直流电机的励磁方式是指对励磁绕组如何供电、产生励磁磁通势而建立主磁场的问题。

根据励磁方式的不同，直流电机可分为下列几种类型。

1、直流电机的励磁方式（1）他励直流电机励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而由其他直流电源对励磁绕组供电的直流电机称为他励直流电机，接线如图（a）所示。

图中M表示电动机，若为发电机，则用G表示。

永磁直流电机也可看作他励直流电机。

（2）并励直流电机并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联，接线如图（b）所示。

作为并励发电机来说，是电机本身发出来的端电压为励磁绕组供电；作为并励电动机来说，励磁绕组与电枢共用同一电源，从性能上讲与他励直流电动机相同。

（3）串励直流电机串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源，接线如图（c）所示。

这种直流电机的励磁电流就是电枢电流。

（4）复励直流电机复励直流电机有并励和串励两个励磁绕组，接线如图（d）所示。

若串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励。

若两个磁通势方向相反，则称为差复励。

不同励磁方式的直流电机有着不同的特性。

一般情况直流电动机的主要励磁方式是并励式、串励式和复励式，直流发电机的主要励磁方式是他励式、并励式和和复励式。

2、直流发电机直流发电机是把机械能转化为直流电能的机器。

它主要作为直流电动机、电解、电镀、电冶炼、充电及交流发电机的励磁等所需的直流电机。

虽然在需要直流电的地方，也用电力整流元件，把交流电变成直流电，但从使用方便、运行的可靠性及某些工作性能方面来看，交流电整流还不能和直流发电机相比。

3、直流电机铭牌国产电机型号一般采用大写的英文的汉语拼音字母的阿拉伯数字表示，其格式为：第一部分用大写的拼音字母表示产品代号，第二部分用阿拉伯数字表示设计序号，第三部分用阿拉伯数字表示机座代号，第四部分用阿拉伯数字表示电枢铁心长度代号。

以Z2---92为例：Z表示一般用途直流电动机；2表示设计序号，第二次改型设计；9表示机座序号；2电枢铁心长度符号。

第一部分字符含义如下：Z系列：一般用途直流电动机（如Z2 Z3 Z4等系列）ZJ系列：精密机床用直流电机ZT系列：广调速直流电动机ZQ系列：直流牵引电动机ZH系列：船用直流电动机ZA系列：防爆安全型直流电动机ZKJ系列：挖掘机用直流电动机ZZJ系列：冶金起重机用直流电动机4、直流电动机分为有换向器和无换向器。

直流电动机调速系统最早采用恒定直流电压给直流电动机供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。

这种方法简单易行、设备制造方便、价格低廉；但缺点是效率低、机械特性软，不能得到较宽和平滑的调速性能。

该法只适用在一些小功率且调速范围要求不大的场合。

30年代末期，发电机-电动机系统的出现才使调速性能优异的直流电动机得到广泛应用。

这种控制方法可获得较宽的调速范围、较小的转速变化率和平滑的调速性能。

但此方法的主要缺点是系统重量大、占地多、效率低及维修困难。

近年来，随着电力电子技术的迅速发展，由晶闸管变流器供电的直流电动机调速系统已取代了发电机-电动机调速系统，它的调速性能也远远地超过了发电机-电动机调速系统。

特别是大规模集成电路技术以及计算机技术的飞速发展，使直流电动机调速系统的精度、动态性能、可靠性有了更大的提高。

电力电子技术中IGBT等大功率器件的发展正在取代晶闸管，出现了性能更好的直流调速系统。

二、直流电机调速方法直流电动机有三种基本调速方法：(1)改变电枢回路总电阻Ra；；(2)改变电枢供电电压Ua；(3)改变励磁磁通Ф。

1. 改变电枢回路电阻调速各种直流电动机都可以通过改变电枢回路电阻来调速，如图1(a)所示。

此时转速特性公式为(2)式中Rw为电枢回路中的外接电阻（Ω）。

磁对数，a为电枢并联支路数，N为导体数。

图1(a) 改变电枢电阻调速电路图1(b) 改变电枢电阻调速时的机械特性当负载一定时，随着串入的外接电阻Rw的增大，电枢回路总电阻R=(Ra+Rw)增大，电动机转速就降低。

其机械特性如图1(b)所示。

Rw的改变可用接触器或主令开关切换来实现。

这种调速方法为有级调速，调速比一般约为2：1左右，转速变化率大，轻载下很难得到低速，效率低，故现在已极少采用。

2. 改变电枢电压调速连续改变电枢供电电压，可以使直流电动机在很宽的范围内实现无级调速。

如前所述，改变电枢供电电压的方法有两种，一种是采用发电机-电动机组供电的调速系统；另一种是采用晶闸管变流器供电的调速系统。

下面分别介绍这两种调速系统。

采用发电机-电动机组调速方法图2 (a)发电机-电动机调速电路(b)发电机-电动机组调速时的机械特性如图2(a)所示，通过改变发电机励磁电流IF来改变发电机的输出电压Ua，从而改变电动机的转速n。

在不同的电枢电压Ua时，其得到的机械特性便是一簇完全平行的直线，如图2(b)所示。

由于电动机既可以工作在电动机状态，又可以工作在发电机状态，所以改变发电机励磁电流的方向，如图2(a)中切换接触器ZC和FC，就可以使系统很方便地工作在任意四个象限内。

由图可知，这种调速方法需要两台与调速电动机容量相当的旋转电机和另一台容量小一些的励磁发电机(LF)，因而设备多、体积大、费用高、效率低、安装需打基础、运行噪声大、维护不方便。

为克服这些缺点，50年代开始采用水银整流器（大容量）和闸流管这样的静止交流装置来代替上述的旋转变流机组。

目前已被更经济、可靠的晶闸管变流装置所取代。

采用晶闸管变流器供电的调速方法图3 (a) 晶闸管供电的调速电路 (b) 晶闸管供电时调速系统的机械特性有晶闸管变流器供电的调速电路如图3(a)所示。

通过调节触发器的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压，从而实现平滑调速。

在此调速方法下可得到与发电机-电动机组调速系统类似的调速特性。

其开环机械特性示于图3(b)中。

图3(b)中的每一条机械特性曲线都由两段组成，在电流连续区特性还比较硬，改变延迟角a时，特性呈一簇平行的直线，它和发电机-电动机组供电时的完全一样。

但在电流断续区，则为非线性的软特性。

这是变电枢电压调速是直流电机调速系统中应用最广的一种调速方法。

在此方法中，由于电动机在任何转速下磁通都不变，只是改变电动机的供电电压，因而在额定电流下，如果不考虑低速下通风恶化的影响（也就是假定电动机是强迫通风或为封闭自冷式），则不论在高速还是低速下，电动机都能输出额定转矩，故称这种调速方法为恒转矩调速。

这是它的一个极为重要的特点。

如果采用反馈控制系统，调速范围可达50:1～150：1,甚至更大。

由于晶闸管整流器在具有反电势负载时电流易产生断续造成3. 采用大功率半导体器件的直流电动机脉宽调速方法脉宽调速系统出现的历史久远，但因缺乏高速大功率开关器件而未能及时在生产实际中推广应用。

今年来，由于大功率晶体管(GTR)，特别是IGBT功率器件的制造工艺成熟、成本不断下降，大功率半导体器件实现的直流电动机脉宽调速系统才获得迅猛发展，目前其最大容量已超过几十兆瓦数量级。

4. 改变励磁电流调速当电枢电压恒定时，改变电动机的励磁电流也能实现调速。

由式1可看出，电动机的转速与磁通Ф（也就是励磁电流）成反比，即当磁通减小时，转速n升高；反之，则n降低。

与此同时，由于电动机的转矩Te是磁通Ф和电枢电流Ia的乘积（即Te=CTФIa），电枢电流不变时，随着磁通Ф的减小，其转速升高，转矩也会相应地减小。